一、 前言
近來亞洲水患不斷，其主要原因都離不開又急又大的暴雨所致，而這樣的暴雨也不禁讓人們意識到這便是溫室效應(yīng)所帶來的極端氣候。
極端氣候不僅限於豪大雨，長時間的乾旱、短時間內(nèi)的溫度驟降、陡升等等，這變化莫測的天氣便是極端氣候的可怕。
今天要談的便是乾旱與高溫所造成的夏季野火有關(guān)，近十年來，野火越發(fā)頻繁，最驚心動魄的莫過於袋鼠島被野火吞噬的一幕幕令人心碎的畫面。
野火除了對大自然有所破壞外，對於建築物的影響也是巨大的威脅，有多少人因為野火而流離失所，痛失親人，盡管這些故事對臺灣而言是少見的，但對於大陸型國家而言，這是件不得不認真對待的嚴肅問題。
森林大火被歸類為 A 類火災(zāi)，除了常見用水滅火外，也常使用 A 類泡沫，透過冷卻和滲透的滅火方法，主要依賴於泡沫中的水分來冷卻火焰和濕潤可燃物，幫助控制和撲滅固體材料的火災(zāi)
然而 A 類泡沫卻存在三大問題：
1. 持續(xù)時間 - A類泡沫的效果取決於水分的存在，一旦水分蒸發(fā)，泡沫會失去其保護能力。這意味著，在乾燥、炎熱的環(huán)境下，A類泡沫的防火效果只能維持較短時間，通常是15到30分鐘，這使得A類泡沫在長時間的火災(zāi)中效果有限，需要不斷重新應(yīng)用，特別是當(dāng)火勢延續(xù)時間較長時。
2. 環(huán)保性 - 雖然相比其他泡沫劑，它對環(huán)境的影響較小，但某些商業(yè)產(chǎn)品可能含有化學(xué)添加劑，如潤濕劑和穩(wěn)定劑，這些化學(xué)品可能對水源和土壤造成影響。如果大量使用A類泡沫且進入水源，可能會對水生生物構(gòu)成威脅。
3. 耐高溫能力 - A類泡沫主要依靠水分來冷卻火焰，不能在高溫條件下長時間提供防護。一旦火勢蔓延或火焰溫度過高，泡沫蒸發(fā)後無法繼續(xù)發(fā)揮作用。
如今這三大問題，斯坦福大學(xué)的研究團隊已提出了一個令人振奮的解方，雖然我不知道正式的中文名稱該如何稱呼，但直翻的意思應(yīng)該是「水增強凝膠(Water-Enhancing Gel)」，其優(yōu)點便是改善上述 A 類泡沫所存在的缺陷：
1. 持續(xù)時間 - 水增強凝膠的保護效果更持久，即使水分蒸發(fā)，它仍能轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈呖紫堵实奈鶜饽z，形成持久的防火隔熱層，能夠提供長時間的防火保護，即使在火焰高溫環(huán)境中也能保持其效果。這使其在長時間的野火中具有顯著優(yōu)勢。
2. 環(huán)保性 - 該技術(shù)強調(diào)使用環(huán)保材料，如纖維素和膠態(tài)二氧化矽，這些材料是可生物降解的，不會對環(huán)境產(chǎn)生長期的污染。它的環(huán)保性明顯優(yōu)於傳統(tǒng)的滅火泡沫，更適合在需要長期保護且關(guān)注環(huán)境影響的地區(qū)使用。
3. 耐高溫能力 - 在高溫下，水增強凝膠能轉(zhuǎn)變?yōu)槲鶜饽z，這種材料具有極低的熱導(dǎo)率，能形成一個耐高溫的隔熱層，阻止火焰的蔓延，即使水分蒸發(fā)後依然能提供長期的防火保護。
雖說 A 類泡沫主要用途在於滅火，而水增強凝膠的目的主要在於防火，兩者的應(yīng)用情境有著明確的差異，因此也無法說水增強凝膠完全的取代了 A 類泡沫，但至少為對應(yīng) A 類火災(zāi)增加了一種更環(huán)保且便宜的選擇。
二、 水增強凝膠的成分
首先，我們先來了解一下，水增強凝膠的成分，在此研究團隊分別給出了兩組對照：
1. HEC+MC/CSP Hydrogel：羥乙基纖維素（HEC）與甲基纖維素（MC）為基礎(chǔ)的水增強凝膠，與膠態(tài)二氧化矽顆粒（CSP）。
羥乙基纖維素（HEC）特性：是一種廣泛使用的水溶性纖維素衍生物，其主要功能是增稠、保水和形成凝膠，並具有良好的生物相容性和化學(xué)穩(wěn)定性。在水增強凝膠技術(shù)中，HEC起到了關(guān)鍵作用，幫助形成穩(wěn)定的凝膠，並在高溫下提供防火隔熱功能。
甲基纖維素（MC）特性：是一種由天然纖維素改性的水溶性聚合物，具有優(yōu)秀的增稠性、保水性和穩(wěn)定性，並且是無毒的生物相容性材料，其中最具特色的莫過於加熱時會凝膠化，形成較堅固的凝膠，這一點對於在水增強凝膠技術(shù)中，強化了其結(jié)構(gòu)性，在高溫下提供防火保護。
膠態(tài)二氧化矽顆粒（CSP）特性：是由納米級二氧化矽顆粒分散在液體中形成的膠態(tài)溶液，具有良好的穩(wěn)定性、高熱穩(wěn)定性和增強作用。在水增強凝膠中，CSP 提供了關(guān)鍵的防火隔熱功能，並在高溫下形成矽氣凝膠，這對於防止火災(zāi)蔓延和保護建築材料具有重要作用。
值得一提的是，HEC 和 MC 的基礎(chǔ)原料都是天然纖維素，這些纖維素大多數(shù)來自木材或棉花等植物來源。
HEC 通過羥乙基化改性而製成，而MC 則通過甲基化改性來實現(xiàn)其特有性能。兩者的差異主要來自於化學(xué)改性的方式和所添加的化學(xué)基團（羥乙基 vs 甲氧基），這使它們在應(yīng)用上有不同的性能和用途。
2. MHEC/CSP Hydrogel：甲基-2-羥乙基纖維素（MHEC） 與膠態(tài)二氧化矽顆粒（CSP）混合的水增強凝膠。
甲基-2-羥乙基纖維素（MHEC）特性：是纖維素的衍生物，經(jīng)過甲基化和羥乙基化的化學(xué)處理製成。MHEC 結(jié)合了甲基纖維素（MC）和羥乙基纖維素（HEC）的特性，具有優(yōu)異的增稠、保水和穩(wěn)定性能，並且在冷水中可溶，能形成穩(wěn)定的膠狀溶液。由此可知它的保水性能和穩(wěn)定性使其在高溫下提供長效防火保護，並且在水分蒸發(fā)後，該凝膠仍能轉(zhuǎn)變?yōu)槲鶜饽z，提供持久的隔熱層。
三、 水增強凝膠的運作原理
介紹完兩組對照組的成分特性後，接下來便來簡單的解釋一下該技術(shù)的原理，首先，我們要先預(yù)設(shè)一個情境，當(dāng)野火即將侵襲我們眼前的建築物時，此時我們便要將水增強凝膠噴灑至建築物表層，接下來便是水增強凝膠發(fā)揮的時候了：
第一階段 - 野火逼近：初期的保水降溫階段
在火災(zāi)初期，水增強凝膠中的纖維素衍生物（如羥乙基纖維素或甲基纖維素）具有優(yōu)秀的保水性和增稠性，能夠吸收和保留大量水分。當(dāng)火焰靠近時，這些水分會被釋放出來，通過水分蒸發(fā)來吸收火焰的熱量，蒸發(fā)水分的過程有效降低環(huán)境溫度，並且水分滲透到周圍的可燃材料中，使其濕潤，從而降低了這些材料的易燃性。這樣，水增強凝膠在早期能起到很好的降溫和延緩火勢蔓延的作用。
第二階段 - 熊熊烈火：高溫形成隔熱層
當(dāng)火焰溫度進一步升高並且水分逐漸蒸發(fā)後，水增強凝膠中的膠態(tài)二氧化矽顆粒（CSP）會發(fā)揮關(guān)鍵作用。在高溫下，這些顆粒會發(fā)生化學(xué)和物理變化，形成矽氣凝膠。矽氣凝膠是一種高度多孔的材料，具有極低的熱導(dǎo)率。
矽氣凝膠在材料表面形成持久的隔熱層，能有效阻止火焰和熱量向下傳遞，保護建築材料或其他基材免受高溫的破壞。即使水分完全蒸發(fā)，矽氣凝膠的存在仍然能提供長時間的耐高溫保護，防止火災(zāi)蔓延。
第三階段 - 野火退散：環(huán)?？山到庑?/div>
與傳統(tǒng)的滅火泡沫（通常含有化學(xué)添加劑和合成物質(zhì)）不同，水增強凝膠在使用後不會對土壤、水源和空氣造成長期污染。它可以在自然環(huán)境中逐漸分解，對水生生物和土壤的影響較小，這使其在自然生態(tài)中的防火應(yīng)用中非常適合。
四、 成本考量
既然研究團隊會列出對照組，顯然就是其中一組要馬是有著更優(yōu)異的表現(xiàn)，又或者是有著更便宜的成本，而在本次的比較當(dāng)中結(jié)果如下：
1. HEC+MC/CSP Hydrogel：
強大的增稠和保水效果、高溫下結(jié)構(gòu)更穩(wěn)固、適用於長期穩(wěn)定性要求高的應(yīng)用，但卻可能出現(xiàn)材料硬化問題，這將使水增強凝膠失去原本的彈性，從而影響其長期防火效果。
由於這種材料需要兩種纖維素（HEC 和 MC）來形成凝膠結(jié)構(gòu)，製作稍微複雜一些，且MC比MHEC更昂貴，也容易受污染，因此其環(huán)保性較差與成本較高。
2. MHEC/CSP Hydrogel：
雖然結(jié)構(gòu)強度不如前一組強大，但其較不容易出現(xiàn)材料硬化問題，且材料單一，製作簡單，因此較不易受到?jīng)@染，而成本較MC更低，商用化的可能性更高。
五、 心得
如前言所述，雖然這樣的技術(shù)對於臺灣人而言並不那麼實用，但這樣的技術(shù)也帶給了我們新的觀點。
既然水增強凝膠有著如此強大的隔熱效果，且成本低廉，未來是否可以應(yīng)用於建築物的防火塗層？又是否能應(yīng)用於儲能設(shè)備防火隔熱材料？又是否能透過其矽氣凝膠的特性，於外牆為我們帶來抗紫外線，或?qū)怪饾u惡化的氣候問題呢？
此次水增強凝膠的技術(shù)，為我們帶來了看似完美的防火環(huán)保材料，但我們應(yīng)該更進一步的思考，雖然纖維素來自可再生植物，但大規(guī)模生產(chǎn)這些材料時，是否會涉及一些化學(xué)處理？而這些處理是否又會造成環(huán)境汙染？除此之外，盡管 MHEC/CSP Hydrogel 製作方式較為簡單，但其生產(chǎn)過程的能耗比如何？這仍是我們必須關(guān)注的。
很多時候，我們都會被一些新技術(shù)所帶來的強大能力所吸引，但我們往往卻忽略了擁有它所必須付出的代價。
但科技的進步總是如此，我們會透過工藝的優(yōu)化，逐漸的使其更加環(huán)保，且成本更加低廉，而這也是我最佩服人類的地方，也是工業(yè)的浪漫所在。
不論如何，水增強凝膠的出現(xiàn)，為世界各地因野火所惱的人們提供了一個新的解方，它不僅有著優(yōu)異的防火效果，且自帶生物降解的特性，近乎零污染，對於自然生態(tài)而言是更加友善的選擇。
達人
